用賽靈思醫(yī)療專(zhuān)用可編程方案決勝于市場(chǎng)

在醫(yī)療電子中，F(xiàn)PGA應(yīng)用最為廣泛的在醫(yī)療成像領(lǐng)域，無(wú)論是歐洲、美國(guó)、日本或者是國(guó)內(nèi)的主要醫(yī)療器械廠商都在大量地使用FPGA，其應(yīng)用范圍主要有超聲成像、3D渲染、X射線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集、核磁共振成像接口等。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA )是一種可配置的電子線(xiàn)路，內(nèi)含可配置邏輯元件和可配置互聯(lián)元件，賽靈思的共同創(chuàng)始人之一 Ross Freeman 因發(fā)明FPGA而榮登2009 美國(guó)發(fā)明家名人堂。共同入選名人堂中的IC業(yè)者還有摩爾定律的發(fā)明者、貝爾電話(huà)的發(fā)明者以及愛(ài)迪生等等。在FPGA市場(chǎng)，賽靈思擁有著51%的市場(chǎng)占有率，客戶(hù)和市場(chǎng)非常多元化，在第三屆中國(guó)國(guó)際醫(yī)療電子技術(shù)大會(huì)（CMET2010）中，賽靈思亞太區(qū)市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)張宇清與大家分享了FPGA在醫(yī)療電子方面的方案。

在醫(yī)療電子中，F(xiàn)PGA應(yīng)用最為廣泛的在醫(yī)療成像領(lǐng)域，無(wú)論是歐洲、美國(guó)、日本或者是國(guó)內(nèi)的主要醫(yī)療器械廠商都在大量地使用FPGA，其應(yīng)用范圍主要有超聲成像、3D渲染、X射線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集、核磁共振成像接口等等，除此之外，在內(nèi)窺鏡或者是除顫器、病人監(jiān)護(hù)儀中也可以看到FPGA的蹤影。在這些應(yīng)用中，F(xiàn)PGA可以提供比DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力，讓成像過(guò)程中的一些算法得到高速的執(zhí)行。

賽靈思FPGA在醫(yī)療成像中的應(yīng)用

賽靈思FPGA在醫(yī)療診斷、監(jiān)測(cè)和治療領(lǐng)域

經(jīng)過(guò)了25年的發(fā)展，F(xiàn)PGA的成本、功耗都得到了質(zhì)的飛躍（功耗方面已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)的IC，而其一顆FPGA通常可以代替幾顆DSP或其他IC）。比如賽靈思推出的最新產(chǎn)品系列高端的Virteh-6和的低端的Spartan-6都采用了40納米工藝，因此比上一代65納米的成本降低了60%，功耗降低了65%，IO的帶寬也超過(guò)1Tbps，其中Virteh-6擁有業(yè)界最多的接口功能（插端接口是一般FPGA的五倍，并且同時(shí)支持串性和并行的接口），而其可以選擇集成了不同DSP模塊數(shù)量的型號(hào)供選擇。功耗方面，Spartan-6低功耗器件在45K邏輯單元的情況下功率只有85毫瓦。

賽靈思最新FPGA系列產(chǎn)品可滿(mǎn)足醫(yī)療電子不同技術(shù)要求

賽靈思FPGA可提供更多的接口

另外，根據(jù)BDPI的報(bào)告，F(xiàn)PGA的運(yùn)算速度是普通DSP的30倍，這是因?yàn)镕PGA采取了不同的運(yùn)算方式，可以同時(shí)執(zhí)行更多的指令。不過(guò)，雖然FPGA具有上述很多優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)閭鹘y(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中絕大部分的工程師對(duì)FPGA非常陌生，因此存在一些設(shè)計(jì)門(mén)檻，比如需要工程師對(duì)硬件架構(gòu)有一些了解，同時(shí)又會(huì)做軟件的編譯，因此并不是每一個(gè)設(shè)計(jì)工程師都可以開(kāi)發(fā)。不過(guò)這一情況現(xiàn)在也得到了解決：美國(guó)第三方認(rèn)證公司BDPI認(rèn)證了業(yè)界兩家提供軟件的公司，通過(guò)他們的工具可以將C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為FPGA可用語(yǔ)言，這就降低了工程師進(jìn)入FPGA編程領(lǐng)域的門(mén)檻，現(xiàn)在已經(jīng)得到了賽靈思和一些國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體大廠的運(yùn)用。

在了解FPGA技術(shù)特性之后，我們來(lái)看下FPGA的一些具體應(yīng)用，如國(guó)內(nèi)最熱門(mén)的超聲應(yīng)用。超聲可分為探測(cè)器、前端、后端部分和圖象處理等部分。下圖中紅色的地方就是FPGA應(yīng)用比較多的領(lǐng)域，在以往的應(yīng)用中這些部分通常都是由多顆FPGA或者是DSP等其他芯片共同來(lái)完成工作，而現(xiàn)在由于FPGA的運(yùn)算能力和功能已經(jīng)足夠強(qiáng)大，通常采用一顆FPGA芯片即可滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用要求，如單顆Spartan-6 100T就可以滿(mǎn)足64通道的超聲的應(yīng)用。另一方面，便攜式超聲是采用128個(gè)通道，需要150多個(gè)高速LVDS IO 來(lái)接收數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)DSP根本無(wú)法滿(mǎn)足，F(xiàn)PGA多接口的優(yōu)勢(shì)在這里就可以得到充分發(fā)揮。此外，便攜式超聲把波束形成器和解調(diào)器集成在單片F(xiàn)PGA中，需要數(shù)以百計(jì)的并行乘法器，以及便攜式超聲正向降低功耗的方向邁進(jìn)，因而“便攜式”并不僅僅意味著從一個(gè)空間到到另一個(gè)空間的移動(dòng)，同時(shí)還意味著電池壽命的延長(zhǎng)。這些都可以通過(guò)FPGA的應(yīng)用來(lái)滿(mǎn)足。

從上邊所講就可以看到賽靈思FPGA為超聲設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處都包括：

IO 優(yōu)勢(shì)
Virtex-6, Spartan6 提供同質(zhì)的IO , 且更易使用
Virtex-6, 為超聲提供比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品多4.5倍的差分IO

DSP 優(yōu)勢(shì)
Virtex-6 DSP模塊的架構(gòu)為超聲應(yīng)用提供高2倍的容量
預(yù)加法器減少了波束形成器和解調(diào)器所需的乘法器

功耗優(yōu)勢(shì)
Virtex-6, Spartan6 -1L低功耗器件在同樣性能的基礎(chǔ)上功耗比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低20％
Virtex-6, Spartan6 -1 低成本器件可提供比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手高達(dá)1個(gè)速度級(jí)別的性能和低9％的功耗

在超聲之外常見(jiàn)的還有內(nèi)窺鏡，在科技進(jìn)步的推動(dòng)下，現(xiàn)在內(nèi)窺鏡正在從1CCD到3CCD、從隔行到逐行、從標(biāo)清（SD）到高清（HD）、從本機(jī)分辨率（Native resolution）到像素轉(zhuǎn)移（Pixel-shifting）技術(shù)轉(zhuǎn)變，全高清格式的實(shí)時(shí)圖像處理、圖像壓縮和無(wú)線(xiàn)傳輸都成為內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，而可以集成更多功能的FPGA也可以滿(mǎn)足這些需求：高性能的XtremeDSP解決方案有助于加速視頻和成像系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大DSP處理器為基礎(chǔ)的應(yīng)用性能；高速LVDS SelectIO技術(shù)通過(guò)DVI、HDMI、SD - SDI ，以及Firewire 接口， 全高清1080p圖像傳輸提供足夠的帶寬；高速SERDES RocketIO技術(shù)通過(guò)HD-SDI, 3G-SDI 提供足夠的傳輸帶寬；MicroBlaze軟處理器為FPGA+DSP硬件加速系統(tǒng)的整合提供了靈活性。

內(nèi)窺鏡可視化系統(tǒng)中的賽靈思FPGA

FPGA常見(jiàn)應(yīng)用還有病人監(jiān)視器，現(xiàn)在病人監(jiān)視器擁有類(lèi)似于蜂窩電話(huà)的高度集成低功耗設(shè)計(jì)，需要便攜的、靈活的器件能夠適應(yīng)不同的臨床應(yīng)用，需要支持各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)接口，需要有針對(duì)能力、功耗和系統(tǒng)的多功能性的單個(gè)或多個(gè)參數(shù)的器件，還需要具有移動(dòng)性、易用性，和輕松的病人數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)賽靈思FPGA低功耗、提供靈活/同質(zhì)的（Homogeneous） I/O、廣泛的的連接IP、基本構(gòu)建模塊等即可讓病人監(jiān)視器廠商專(zhuān)注于整合和上市時(shí)間所帶來(lái)的附加價(jià)值。

最后介紹一下賽靈思提供的技術(shù)支持，賽靈思除了提供FPGA芯片、開(kāi)發(fā)版和參考設(shè)計(jì)外，還提供“目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)”，這個(gè)平臺(tái)是一個(gè)完整的初始化的設(shè)計(jì)，包括了開(kāi)發(fā)、芯片、軟件、一些驅(qū)動(dòng)程式和文檔，工程師拿到之后可以開(kāi)盒即用。.